基于第二抗热震因子的BNNTs/Si3N4复合材料抗热震性能评价

利用Kingery抗热震断裂理论构建了氮化硼纳米管（BNNTs）强韧化陶瓷复合材料的第二抗热震因子模型,通过真空热压烧结法制备了BNNTs质量分数分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的BNNTs/Si₃N₄复合材料,并采用预制裂纹法测试了复合材料的抗热震性能,测试结果证实了在平稳状态下模型的正确性。结果表明,BNNTs的存在使复合材料第二抗热震因子增大,抗热震性能提升。分布在晶界上的BNNTs起到裂纹钉扎、桥联和裂纹偏转作用,增加了裂纹扩展的阻力,从而有效提高了BNNTs/Si₃N₄复合材料抗热震断裂能力。     

氮化硼纳米管增强氮化硅复合材料的裂纹扩展阻力行为

用氮化硼纳米管(BNNT)增强氮化硅(Si₃N₄)陶瓷制备了BNNT/Si₃N₄复合材料, 利用三点弯曲强度及单边切口梁(SENB)法测定了BNNT/Si₃N₄复合材料的弯曲强度和断裂韧性。通过SEM观察了BNNT/Si₃N₄复合材料微观形貌。基于BNNT增强Si₃N₄陶瓷复合材料的裂纹扩展阻力计算公式, 构建了BNNT对Si₃N₄陶瓷裂纹屏蔽区的裂纹扩展阻力的数学模型。用该模型的计算结果与Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展阻力进行了对比。结果表明: BNNT/Si₃N₄复合材料的弯曲强度和断裂韧性明显高于Si₃N₄陶瓷, 说明BNNT对Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展有阻力作用, 摩擦拔出是Si₃N₄陶瓷抗裂纹扩展能力提高的主要原因; BNNT对Si₃N₄陶瓷有明显的升值阻力曲线行为。通过有限元模拟裂纹尖端应力分布, 发现BNNT使Si₃N₄陶瓷裂纹尖端的最大应力转移到纳米管上, 而且BNNT降低了Si₃N₄陶瓷裂纹尖端的应力, 对Si₃N₄陶瓷尖端的裂纹有屏蔽作用, 从而提高了Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展阻力。     

1450℃反应烧结Fe3Si-Si3N4复合耐火材料的相组成

以Si粉和Fe₃Si-Si₃N₄为原料,在高纯N₂气氛下制备Si₃N₄/Fe₃Si-Si₃N₄复合材料。氮化烧成后Si₃N₄结合Fe₃Si-Si₃N₄复合耐火材料试样中物相为Si₃N₄、Fe₂Si、FeSi和Si₂N₂O。其中Si₂N₂O含量约6%,且在试样中心和外部分布不均匀。Fe₃Si-Si₃N₄原料是Fe₃Si和Si₃N₄两相共存材料,热力学评估和材料的微观结构分析表明,Fe₃Si和部分Si粉形成新的低熔点硅铁合金,使靠近试样表面部位的部分开口气孔被液态硅铁合金所堵塞或填充,试样中心部位的微量氧不能迁移至外部,N₂中微量氧将Fe₃Si-Si₃N₄原料中Si₃N₄氧化,形成Si₂N₂O包裹,导致试样中心Si₂N₂O含量比边缘部位高。Si₂N₂O的形成使体系氧分压降至Si₃N₄稳定存在的氧分压时,Si粉直接氮化形成柱状Si₃N₄,而非纤维状Si₃N₄,同时在1 450℃氮化烧成条件下,Fe的存在促进了α-Si₃N₄向β-Si₃N₄的转变。     

用聚碳硅烷为先驱体制备SiC/Si3N4纳米复相陶瓷

采用聚碳硅烷(PCS) 为先驱体, 利用原位生长法制备SiC/Si₃N₄ 纳米复相陶瓷, 其室温弯曲强度和断裂韧性达到了637M Pa 和8. 10M Pa·m1/2 。研究了材料微观结构的形成及断裂机理,指出在微观结构的形成过程中, 控制SiC 纳米微晶的生成和B-Si₃N₄ 柱状晶的生长是关键, 而增韧补强的主要原因在于形成了晶内型结构和长径比大(大于7. 5) 的Si₃N₄ 柱状晶, 从而改变了断裂机理。      

Si3N4对碳/碳复合材料表面SiC涂层耐磨性的影响

为了提高碳/碳复合材料表面SiC涂层的耐磨性,采用包埋法和氮化处理制备SiC/Si₃N₄涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）及摩擦磨损试验,分别评价SiC涂层与SiC/Si₃N₄涂层的表面形貌、物相组成、磨损形貌及摩擦磨损性能,并研究涂层显微组织结构与磨损机理之间的联系。结果表明：SiC/Si₃N₄涂层由Si₃N₄相、SiC相和C相组成,涂层平整且致密;SiC/Si₃N₄涂层的摩擦系数低于0.05且更稳定;SiC涂层高摩擦系数值的主要磨损机制是黏着磨损和磨料磨损;SiC/Si₃N₄涂层中形成了一层较薄的润滑膜,并在摩擦磨损的后续阶段降低摩擦系数。Si₃N₄相的引入可以有效改善SiC涂层的表面结构,使得SiC涂层摩擦系数更小且更稳定,从而提高...     

可磁分离Fe3O4/g-C3N4复合材料的制备及其性能

为了利用Fe₃O₄的磁响应性及石墨相C₃N₄（g-C₃N₄）优良的光催化活性,首先采用高温热聚合法,以尿素为前驱体制备g-C₃N₄,然后采用水热法合成了可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料。利用TEM、XRD、TGA、BET和振动样品磁强计（VSM）等多种测试手段表征分析Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的形貌、晶型结构、比表面积、成分、饱和磁化强度等。通过模拟太阳光下Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料光催化吸附降解亚甲基蓝（MB）的实验,评价了Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的吸附性能及光催化性能。结果表明,可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有较大的比表面积,约为71.89 m²/g;且具有较好的磁性,饱和磁化强度为18.79 emu/g,可实现复合材料的分离回收;光照240 min时,Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料对MB的去除率为56.54%。所制备的Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有优良的吸附性能、光催化活性和磁性,并可通过外加磁场进行分离与回收。     

纯弯曲Sandwich 梁试样界面裂纹扩展的应变能释放率

纯弯曲的Sandwich 梁试样在评价界面断裂抗力方面有重要作用。利用能量的叠加原理和截面转换方法, 本文导出了纯弯曲Sandw ich 梁试样界面裂纹扩展应变能释放率的显式解, 并根据实验测得的界面裂纹扩展的临界载荷, 用其计算出了四点弯曲Si₃N₄/Al/Si₃N 4试样Si₃N₄/Al 扩散连接界面的断裂韧度。      

超重力场燃烧合成TiCTiB2凝固陶瓷组织与性能

通过调整反应体系中Ti、 C及B之间的原子摩尔比, 采用超重力下燃烧合成工艺, 制备出TiB₂系列摩尔分数的TiC-TiB₂复合陶瓷。利用场发射扫描电镜(FESEM)观察了复合陶瓷微观组织, 研究了TiB₂成分对复合陶瓷力学性能的影响。结果表明: 随着TiB₂摩尔含量增加, 陶瓷基体逐渐从TiC球晶组织转化为TiB₂片晶组织, 在TiB₂摩尔分数为50%时, 可获得细晶乃至超细晶TiC-TiB₂复合陶瓷, 而且残留于基体上的α-Al₂O₃夹杂量也最低。陶瓷相对密度、 Vickers硬度与弯曲强度均在50%TiB₂(摩尔分数, 下同)时呈现最大值, 而陶瓷断裂韧性则在66.7% TiB₂时出现最高值。陶瓷断裂模式为TiC穿晶断裂与TiB₂沿晶断裂的混合模式, 且随TiB₂摩尔分数增加至66.7%, TiC穿晶断裂倾向显著减弱而TiB₂沿晶断裂倾向明显增强。TiC-TiB₂细晶及超细晶凝固组织的获得使TiC-50%TiB₂复合陶瓷在小尺寸TiB₂片晶诱发的裂纹偏转、 裂纹桥接及片晶拔出增韧机制作用下, 具有最高的弯曲强度及较高的断裂韧性。     

碳纤维表面改性增强Fe3Al-Al2O3复合材料的制备及组织性能

采用溶胶-凝胶分散和热压烧结制备了短切碳纤维（CF_s）/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料。分别通过电化学镀Cu和化学气相沉积SiC对CF_s表面修饰和改性,研究了Cu镀层和SiC涂层对CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料显微组织、相组成、力学性能及断裂行为的影响。结果表明,未修饰的CF_s在Fe₃Al-Al₂O₃基体中受到严重侵蚀,CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料致密度低,抗弯强度仅为239.0 MPa,与Fe₃Al-Al₂O₃强度相当;表面镀Cu可有效保护CF_s不被侵蚀,同时提高了CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料的烧结致密性和界面结合强度,从而明显提高了复合材料的断裂强度,但断裂过程中纤维拔出较短;CF_s表面沉积SiC的CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料组织均匀致密,表面涂层完整,且与纤维及基体之间结合力相当,断裂过程中,涂层既可随纤维一起拔出基体,也可与CF_s分离而留在基体之中,SiC涂层与纤维及基体之间的弱相互作用很大程度上促进了纤维脱黏和拔出,从而促进CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料韧化所需的渐进破坏机制。      

BN含量对多孔BN/Si3N4陶瓷结构和性能的影响

以氮化硅(Si₃N₄)为基体, 氮化硼(BN)为添加剂, 叔丁醇为溶剂, 采用凝胶注模成型与无压烧结工艺(温度为1750 ℃、保温时间为1.5 h、流动N₂气氛), 成功制备出具有一定强度和低介电常数的多孔BN/Si₃N₄陶瓷。在浆料中初始固相含量固定为15%体积分数的基础上, 研究了BN含量对多孔Si₃N₄陶瓷材料的气孔率、物相组成及显微结构的影响, 分析了抗弯强度、介电常数与结构之间的关系。结果表明, 通过改变BN含量可制备出气孔率为55.1%~66.2%的多孔Si₃N₄陶瓷; 多孔BN/Si₃N₄复合陶瓷的介电常数随着BN含量的增加而减小, 为3.39~2.25; 抗弯强度随BN含量提高而有所下降, BN质量分数为2.5%时, 抗弯强度最高, 为(74.8±4.25) MPa。     

层状Ti3SiC2陶瓷的组织结构及力学性能

利用热压烧结TiH₂,Si和C粉获得了致密度大于98%的层状Ti₃SiC₂陶瓷。利用压痕法,在不同的载荷下测定了材料的维氏硬度, 发现其硬度值随载荷的增加而降低,在最大载荷30kg时,硬度值为4GPa。压痕对角线没有发现径向裂纹的出现。 这归因于多重能量吸收机制——颗粒的层裂、裂纹的扩展、颗粒的变形等。利用三点弯曲法和单边切口梁法测定了材料的强度和韧性分别为270MPa和6.8MPa·m1/2。Ti₃SiC₂材料的断口表现出明显的层状性质,大颗粒易于发生层裂和穿晶断裂,小颗粒易被拔出。当裂纹沿平行于Ti₃SiC₂基面的方向扩展造成颗粒的层裂,当裂纹沿垂直于基面的方向扩展时,裂纹穿过颗粒的同时,在颗粒内部发生偏转,使裂纹的扩展路径增加。裂纹的扩展路径类似人们根据仿生结构设计的层状复合材料。裂纹在颗粒内的多次偏转、裂纹钉扎以及颗粒的层裂和拔出等是材料韧性提高的主要原因。此外,在室温下得到的荷载-位移曲线,说明Ti₃SiC₂材料不象其它陶瓷材料的脆性断裂,而是具有金属一样的塑性。     

Si_3N_4基陶瓷裂纹扩展过程的动态观察

Ｓｉ_３Ｎ_４基陶瓷裂纹扩展过程的动态观察倪国年，孙克淋，罗相成（北京理工大学）摘要＊发展了适用于Ｓｉ３Ｎ４陶瓷及其复合材料的裂纹扩展动态观察方法．利用缺口梁两端的限制性载荷，控制三点弯曲时裂纹的扩展速度，从而获得关于其过程的信息．对于热压烧结的Ｓｉ３...     

Mechanical Properties and Microstructure of Si3N4-TiC Nanocomposites

1. IntroductionSilicon nitride is one of the promising structural ma-terials for high-temperature applications because of itshigh resistance to thermal shock, as well as high strength,high fracture toughness, and high resistance to chemicalattack[1~3]. However, wider application has been lim-ited mainly due to its inherent brittleness. Many effortshave been made to improve its properties by control-ling the microstructure or by fabricating various typesof composites[4~7].The silicon nitride wi…     

无压烧结制备氧氮化硅陶瓷

以β－Si3N4和ＳiO2粉末为原料,以ＭgAl2O4为烧结添加剂,通过无压烧结制备出致密的Ｓi2N2O陶瓷材料,所得材料由柱状Ｓi2N2O颗粒和少量β－Si3N4颗粒复合组成,研究了烧结温度对材料显微结构的影响,发现材料的断裂大部分是穿晶断裂。     

高温等静压烧结碳化硅基复相陶瓷的强化与增韧

本文通过Si₃N₄、TiC及SiC晶须补强SiC基复相陶瓷的高温等静压烧结,研究了复相陶瓷的显微结构与力学性能,探讨了晶须及第二相颗粒对复相陶瓷的强化与增韧机理．结果表明,不同的补强颗粒及晶须在基体中的作用也不同,Si₃N₄的引入将在基体与第二相颗粒之间产生径向压应力,阻碍裂纹的扩展,TiC的引入将在基体与第二相颗粒之间产生径向张应力,诱导裂纹的偏转;SiC晶须的引入也将产生阻碍裂纹扩展的机制,从而达到SiC基复相陶瓷强化与增韧,改善其力学性能．     

Tunable strength of SiCf/β-Yb2Si2O7 interface for different requirements in SiCf/SiC CMC:Inspiration from model composite investigation

Model composites consisting of Si C fiber embedded inβ-Yb₂Si₂O₇ matrix were processed by Spark Plasma Sintering method and the feasibility of tunable Si Cf/Yb₂Si₂O₇ interface in Si C-based CMCs were estimated.Weak and strengthened Si Cf/Yb₂Si₂O₇ interfaces were achieved by adjusting sintering temperatures.The indentation crack test and fiber push out experiments clearly demonstrated the different debonding mechanisms in the samples.Weak interfaces sintered at 1200 and 1250℃exhibited crack deflection at interface in indentation test.Their low debond energy at the interface,which were comparable to those of Py C or BN,satisfied the well-recognized interfacial debond and crack deflection criteria for CMCs.The interface was strengthened by atomic bonding in model composite sintered at 1450℃,leading to crack penetrating into Si C fiber and high debond energy.The strong interface may be promising in Si Cf/Si C CMC to withstand higher combustion temperature,because Yb₂Si₂O₇ will provide plastic deformation capacity,which would serve as weak interphase for crack deflection and energy dissipation.Therefore,it is possible to design the capability of Si C_f/RE₂Si₂O₇ interface for different requirements by adjusting interfacial strength or debond energy to reach optimal mechanical fuse mechanism in SiC_f/SiC CMC.     

Toughened and machinable glass matrix composites reinforced with graphene and graphene-oxide nano platelets

Abstract

The processing conditions for preparing well dispersed silica–graphene nanoplatelets and silica–graphene oxide nanoplatelets (GONP) composites were optimized using powder and colloidal processing routes. Fully dense silica–GONP composites with up to 2.5 vol% loading were consolidated using spark plasma sintering. The GONP aligned perpendicularly to the applied pressure during sintering. The fracture toughness of the composites increased linearly with increasing concentration of GONP and reached a value of ～0.9 MPa m^1/2 for 2.5 vol% loading. Various toughening mechanisms including GONP necking, GONP pull-out, crack bridging, crack deflection and crack branching were observed. GONP decreased the hardness and brittleness index (BI) of the composites by ～30 and ～50% respectively. The decrease in BI makes silica–GONP composites machinable compared to pure silica. When compared to silica–Carbon nanotube composites, silica–GONP composites show better process-ability and enhanced mechanical properties.     

SiO2-Si3N4复合材料的力学性能及其增韧机理

采用热压工艺制备了ＳｉＯ２－Ｓｉ３Ｎ４复合材料，其抗弯强度和断裂韧性达到１４３ＭＰａ和１．７ＭＰａ．ｍ＾１／２，比基体ＳｉＯ２材料分别提高１０７％和７０％，复合材料改善是由于高弹性模量的Ｓｉ３Ｎ４引入以及ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４热膨胀系数不匹配导致的残余应力。     

Processing and mechanical properties of short fibers/Si3N4p reinforced BaO·Al2O3·2SiO2 ceramic matrix composites

Dense short silicon carbide (SiC_sf) and carbon fibers (C_sf) reinforced BaAl₂Si₂O₈ (BAS) glass-ceramic composites with silicon nitride were fabricated by hot-pressing technique. The phase characterization, microstructure, mechanical properties and fracture behavior of the composites were investigated by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and three-point bending tests. The results showed that short silicon carbide and carbon fibers disperse homogeneously in BAS matrix, and had good chemical compatibility with the glass-ceramic matrix. The addition of Si₃N₄ could successfully eliminate the microcracks in the BAS matrix induced by the thermal mismatch between the fiber and matrix. Both the added short fibers could effectively reinforce the BAS glass-ceramic by the associated toughening mechanisms such as crack deflection, fiber bridging and pullout effects.     

化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiC_f/SiC复合材料的真空蠕变性能, 蠕变温度为 1200、1300和1400 ℃, 应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明, 2D-SiC_f/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大, 进一步导致复合材料蠕变断裂, 在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200 ℃/100 MPa时, 纤维晶粒没有长大, 复合材料的蠕变断裂时间大于200 h; 蠕变温度为1400 ℃时, 纤维晶粒明显长大, 2D-SiC_f/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h, 稳态蠕变速率增大了三个数量级。